作者：张宇臻（北京师范大学第二附属中学）
指导教师：黄永梅、薛慧君、王冰冰
张宇臻
第19届“明天小小科学家”称号获得者
学科?植物学
当张宇臻开始着手一项科学研究时，会首先思考研究的意义：一旦有了科研成果，能不能转化为实际应用？张宇臻渴望通过科研探索改善人们的生活，解决现实问题。本研究课题的灵感就来自于生活。面对北京严重的雾霾污染，他想能不能通过有效的植物种类和种植设计保护城市环境中易受污染的地区呢？在导师的指导下，他制订了研究方案。整个研究工作持续了1年，那时候他的实验节奏忙碌而紧凑，就连寒暑假都被大量的实验研究、数据分析、报告撰写占满。但是这段经历也让张宇臻感到非常充实，能力得到了极大的锻炼。张宇臻说：“一次完整的科学研究过程，既满足自己探索科学解决问题的需要，也为将来的学习工作作好了准备。”未来，他也会继续在科学研究的道路上不断前进，追逐科学梦想。项目背景
空气污染日益成为一个严重的全球性问题，威胁城市居民的健康，影响居民生活质量。颗粒物是悬浮在空气中的有机和无机物、固体和液体物质的混合物，也是北京的首要污染物。为了减轻城市颗粒物污染，道路绿化植物对大气颗粒污染物的防治作用越来越受到重视。本研究比较了北京一些主要道旁绿化植物对不同直径颗粒污染物的滞留能力与抗尘能力，寻找适合在城市中长期滞尘的理想植物种类，为优化绿化树种的选择和设计提供有价值的参考。研究目标
对比不同植物叶片及蜡质层对PM10、PM2.5、PM0.2颗粒物的滞留能力；分析不同植物叶片微观结构对大气颗粒污染物的滞留作用；探讨不同类型植物的抗颗粒污染能力，分析不同植物作为交通污染区绿化植物的适宜性。研究内容
不同类型植物对大气颗粒污染物的滞留量?通过测量银杏、杨树、槐树、侧柏、油松、榆树、月季、冬青和爬藤叶片表面及蜡质层PM10、PM2.5?10和PM0.2?2.5的承载量，分析不同植物类型对不同等级颗粒污染物的滞留能力。植物叶片微观结构特征对大气颗粒污染物的滞留作用?利用体视显微镜和偏光显微镜观察植物叶片表面微结构及气孔的密度和开闭度，分析叶片微观结构与大气颗粒污染物滞留能力之间的关系。不同类型植物的抗污染能力?通过测定植物叶片的pH值、叶绿素含量、抗坏血酸及叶片相对含水量，计算ATPI指数，对比不同植物的抗污染能力。研究方法
采样点?交通污染区采样点选在汽车尾气排放高值区——京藏高速德胜门—德外桥路段（CO排放强度约为??kg/km·d），作为对照的水源涵养区选在汽车尾气排放低值区——十三陵水库一带（CO排放强度约为0?23?kg/km·d）。样本采集?在植物交通暴露一侧、距离地面0.6?2.0?m的高度范围内，采集健康植物叶片。植物种类包括乔木树种槐树、榆树、杨树、圆柏、油松和银杏，灌木树种冬青和月季，以及藤本植物爬藤。测定叶片滞尘量?①叶片表面水洗颗粒物的测定。将采集的样品放入盛有?mL蒸馏水的玻璃容器中，并在摇床上摇30分钟，以便从叶片表面彻底洗去颗粒物。然后使用连接到真空泵的具有塞子支撑组件的47?mm玻璃过滤漏斗过滤洗液。首先用91号型预先烘干称重的过滤膜过滤（保留10?μm以上的颗粒），然后用42号型烘干称重的过滤膜过滤（保留2.5?10?μm的颗粒），最后用PTFE膜过滤（保留0.2?2.5?μm的颗粒）。为了降低PTFE膜上的表面张力，过滤前在膜上滴几滴异丙基，然后把过滤后的膜烘干、称重，过滤前后滤膜的质量差即为叶片表面的颗粒滞留量。②蜡质层颗粒物的测定。将以上水洗过滤后的叶子用?mL氯仿洗涤40秒，以便从叶组织中溶解表皮蜡质层，并洗去在蜡质中被捕获的颗粒（称为“蜡中PM”）。过滤洗液，程序与水洗颗粒相同，分别获得蜡质层中不同粒径范围的颗粒物。利用Li-cor叶面积仪测定所有叶片的叶面积，然后计算单位面积叶片的滞尘量（单位：μg/cm2）。观察叶片微观结构?将采集的叶片剪成1?2?cm的小块，用固定液固定，置于4℃的冰箱用于显微镜观察。利用偏光显微镜（LeicaDM）和体视显微镜（MoticK-L）分别放大倍和30倍，观察叶表面结构和颗粒物。测定叶片生理指标?本研究测定了叶片相对含水量、抗坏血酸、叶绿素含量、pH值等4项指标。计算植物耐污染指数（APTI）?利用Singhetal.公式，基于4个生理生化指标，计算植物耐污染指数：式中，APTI为植物耐污染指数，RWC为叶片相对含水量，AAC为抗坏血酸（维生素C）含量，TC为总叶绿素含量，pH为pH值。研究结论
通过对比分析北京市交通污染区和水源涵养区9种常见绿化植物叶片滞尘量和抗污染指数，得到以下结论。国槐、榆树、圆柏、冬青滞尘能力明显高于其他植物，杨树和银杏滞尘效率最低，月季、爬藤、油松表现一般。滞尘能力与叶片的表面微结构特征和蜡质层密切相关。国槐叶片上表皮有较大的沟壑，下表皮具有特殊的绒毛，蜡质层对颗粒物的溶解能力极强；榆树叶片表面粗糙，网状浅沟密集，有明显凹槽和沟壑，气孔密度较大并且下陷；圆柏叶片表面极其粗糙，浅沟密集，气孔密度大；冬青叶片上表皮网状结构密集，下表皮气孔与网状浅沟密集且气孔下陷。这些微结构特点都是植物高效滞尘的重要原因。相反，叶片光滑、气孔平坦稀少等特点，是削弱杨树滞尘能力的重要原因。所有植物叶片蜡质层都有一定的颗粒污染物含量，特别是国槐叶片蜡质层中的颗粒含量高达.5?μg/cm2，油松蜡质层中的PM0.2?2.5和PM2.5?10显著高于叶表面，表明蜡质层对滞留、溶解颗粒污染物的贡献不能被忽视。国槐、冬青、杨树、榆树、月季的抗污染能力较强，而银杏、圆柏和油松的抗污染能力相对较弱。综合来看，杨树滞尘能力较低，但抗污染能力很高；圆柏滞尘能力较高，但抗污染能力较低；银杏的滞尘和抗污染能力都很低；月季抗污染能力较强，但滞尘能力一般。国槐、榆树和冬青滞尘能力和抗污染能力都很强，是9种供试植物中最适于作为污染区的绿化植物。有效的植物种类选择和种植设计可以减轻城市环境污染，减少人类对人为污染物的接触。在选择交通污染严重区域的绿化植物时，植物的滞尘能力和APTI指标应作为绿化植物选择的共同评判依据。绿化带的合理设计还应考虑植物的高低配置等因素，以最大程度地过滤空气中不同粒级的颗粒污染物。此外，北京饮用水源涵养区道旁绿化植物叶片表面和蜡质层中，都检测出一定含量的颗粒污染物，表明该区存在一定程度的汽车排放污染，应受到有关部门的重视。原文刊载于《中国科技教育》年第9期八九点钟栏目，作者：张宇臻（北京师范大学第二附属中学）。中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志